Carbon Mobile 公司的“一体式” 设计消除了单独的外壳、盖子和框架，更好地保护了电子元件并简化了拆卸。

初创公司Carbon Mobile GmbH去年推出的一款新智能手机采用了业界最轻、最薄的设计，这要归功于CFRTP复合材料外壳，与传统设计相比，它可以更好地保护电子产品，同时使设备更容易维修和回收。其他值得注意的创新包括克服碳纤维阻挡射频（RF）信号的趋势，同时实现各向同性接地和静电放电（ESD） 解决方案，以及设计该设备以减少对环境的影响。

当你第一次拿着Carbon Mobile GmbH（德国柏林）的 Carbon I MK II（Mark Two）智能手机时，有 三件事是显而易见的：它非常轻（125克，而普通智 能手机为182克），非常薄（6.3毫米，而普通手机为8.3毫米），背面采用可见编织碳纤维增强复合材料。 为什么一位计算机工程师出身的企业家会在手机上部署创新的新型复合材料技术？

Carbon Mobile创始人兼首席执行官Firas Khalifeh回忆道：“我们想要一些有形的东西，只要你把它握在手中，你就能真正看到和感受到不同。” “此外，从 技术角度来看，制造智能手机是有史以来最复杂的消 费品之一。它具有高密度的组件和传感器，设计公差非常严格，必须尽可能可靠，能够在各种条件下承受数小时的日常使用，还能持续数年。我们想，如果我 们能制造出一款改变游戏规则的智能手机，我们几乎 可以做任何其他事情——无论是平板电脑、AR（增强 现实）、VR（虚拟现实）、手表还是耳机。”

Carbon Mobile公司开始设计一款改变游戏规则的智能手机，它与市场上的任何东西都完全不同，包括使用碳纤维增强复合材料，并从 一级方程式赛车和航天工业中寻求设计灵感。

Carbon Mobile 公司的成就不仅仅在于推出了一款 风格巧妙的碳纤维增强热塑性复合材料料（CFRTP） 机身智能手机，该手机配备了安卓操作系统，为轻薄度设定了新标准。有了这款手机，该公司实现了几个里程碑：它解决了碳纤维阻挡射频信号的长期问题； 它还开发了各向同性接地和静电放电（ESD- electrostatic discharge）解决方案；此外，该公司还开创了使智能手机更环保、更友好的方法。

01高性能应用的高性能材料

Khalifeh在软件初创公司工作时，对硬件、艺术、 媒体和软件的交叉点着迷。当时，他正在制作原型， 建立虚拟购物中心，开发智能冰箱等消费品，并衡量消费者的反应。然而，他渴望做的是制造一款改变游 戏规则的智能手机，这与市场上的任何东西都完全不 同。他说他的设计灵感来自一级方程式赛车和航天工业；他的目标是用高性能材料（HPM- high-performance materials）生产高性能应用（HPA- high-performance application），对他来说，这意味着使用碳纤维增强复合材 料。他的团队没有从现有的智能手机开始并为其制造 复合材料手机壳，而是回到了他们的白板上，进行“第一原则思考，重新思考智能手机壳是如何设计和制造的，然后相互挑战‘打破规则’。”

Khalifeh解释道：“在过去的八年里，智能手机已经成为商品，所以它们的设计真的停滞不前——它们 甚至不再被小型化了。” “因此，他们看起来都很相似，使用相同的材料，操作相同。更重要的是，他们 制造了一个巨大的电子垃圾问题。我们想也许我们可以对此做点什么。”

最初的计划是用环氧树脂/碳纤维预浸料制造手机的 壳体，但在开发后期改为在单独的步骤中用短玻璃纤维/PA6 反向注入碳纤维/TPU有机薄片。工艺和材料的变化是一个重大决策，有助于提高质量控制、产量、 成本和可扩展性。

02手机壳设计

CFRTP的强度和刚度与巧妙的设计相结合，该设 计将所有功能部件封装在位于智能手机壳背面的壳体上，并通过将化学强化玻璃屏幕直接粘合在封闭正面。这使该公司能够消除此类设备典型的内部金属框架和外部塑料盖，减少了质量、包装空间和最终产品中使用的材料，更不用说消费者经常添加的额外保护套了。同样的架构也使拆解和回收报废（EOL- end-oflife）手机及其组件变得更加容易。CFRTP不仅提供了外部美观性，形成了设备的保护性结构外壳，而且起 到了各向同性接地板的作用，并耗散了热量——这是设备正常功能的关键特性。

Carbon Mobile营销总监Jamie Clews指出：“在不到五年的时间里，我们用不到200万美元的投资，建造了一些被认为是不可能的东西。”

03后期变化

毫不奇怪，考虑到它的创新，这款手机设计壳的一个关键方面是找到合适的材料和工艺来生产。起初，该公司使用环氧树脂/碳纤维预浸料。早期的挑战 是在他们考虑的材料上找到必要的电学和无线电频率 (RF- radio frequency)数据，这导致了Carbon Mobile团队的额外测试。然而，他们面临的最大挑战是在2020年初推出第一款产品。

“在我们接近商业化的关键时刻，热固性复合材料 几乎杀死了我们的公司，”Khalifeh做了个鬼脸补充道。“当时正值疫情初期，所有的封锁和后续供应链问题都存在。我们就是无法获得材料。虽然我们知道最 终我们的基材将从热固性塑料转移到热塑性塑料，但 疫情给了我们重新思考选择的时间。”

当时，该团队开始寻找汽车级CFRTP材料供应商， 并找到了 Lanxess AG（德国科隆）的途径。很快， Lanxess’Tepex 连 续 纤 维 增 强 热 塑 性 聚 氨 酯 （ TPUThermoplastic Polyurethane）有机片材（采用 3K/3K/1K 斜纹织 物碳纤维织物层）被指定用于壳体的背面。这是压缩 成型的，然后用短纤维/聚酰胺 6（PA6）复合材料单独反向注射成型，该材料形成了玻璃面粘合的侧面，并 为封装天线增加了额外的几何形状，这些天线是 Carbon Mobile 实现辐射透明方法的一部分。额外的金 属硬件被模制进来以便于组装。

事实证明，使用一个模具来生产几何上简单 的背板和几何上复杂的侧板要比建造两个单独 的模具贵得多。另一个挑战是，为了在整个设备上保持 6.3 毫米的一致厚度，该团队无法将 背板与侧板进行二次成型，因为这会产生超出 其厚度目标的突出部分，并使安装玻璃面更加 困难。这导致决定预成型有机片材坯料，然后 使用短玻璃/PA6 反向注射几何形状。对于下一 代手机，Carbon Mobile公司正在努力通过混合 成型工艺实现更薄的横截面，这也将更快。

“我们很快就喜欢上了热塑性塑复合材料的易加工性和回收潜力，”Khalifeh继续说道。“我们还意识到， 这些材料不仅具有更高的冲击强度，可以更好地保护 我们的手机，而且还使我们更容易控制质量，保持高水平的工艺，同时避免了我们在热固性材料上看到的不一致。”他补充道，用最初指定的热固性材料/工艺组合制作每个外壳需要三个小时。Carbon Mobile 公司当 前的热塑性塑料循环时间为三分钟；该公司的目标是 通过提高自动化和混合（压缩/注射）成型工艺实现一 分钟的循环，而不是目前的两步/两机工艺。Clews预 测：“随着公司的发展，我们早期的成型技术无法扩展，但有了我们开发的新技术，我们将能够以更低的成本更快地生产壳体。”成型在东南亚进行，但组装在德国进行。

04辐射透过率（Radiolucency）

从技术角度来看，Carbon手机壳最具创新性的方 面可能是该公司找到了一种使用碳复合材料外壳的方 法，这种外壳不会阻挡射频信号，但可以提供电接地和静电耗散。他们将这项专利技术称为“HyRECM-混 合无线电复合材料技术” 。

HyRECM -hybrid radio-enabled comp osite material

首先，天线是使用多激光直接结构化（LDS- laser direct structuring）模块创建的，这些模块封装在手机的顶部和底部，反向注入玻纤/PA6复合材料，该复合材料本身是可辐射的。第二，该壳体的主体利用选择性地打 印在碳复合材料外壳的内表面上的导电油墨。这种导 电油墨将碳纤维的各向异性导电性（仅在纤维的方向 上）改变为各向同性导电性（在所有三个轴上），据说 这具有将电路板、天线、碳复合材料体甚至金属硬件连接成单个各向同性接地板和静电放电（ESDelectrostatic discharge）解决方案的效果。

carbon Mobile的一项主要成就是找到一种能 够使用碳复合材料外壳的方法，这种外壳既阻挡射频信号，又能提供接地和静电耗散。 该公司将这项专利技术称为HyRECM，代表 “混合无线电复合材料技术”

Khalifeh沉思道：“许多人试图解决碳纤维的信号阻断特性，但都失败了，但他们做得还不够。” “这是我们着手解决的第一个技术障碍之一，因为我们知 道这对实现我们的其余目标至关重要。经过四年的研究，我们完成了不可能的任务，并找到了一种大规模在‘无线电能’复合材料中使用碳纤维的方法。这为下一代超薄、轻量化和可持续发展提供了一个令人难以置信的新机会连接的设备。”

05更环保、更清洁、为OEM做好准备

Carbon Mobile公司非常重视将环境影响降至最低，并参与循环经济。手机包装是纸板，便于回收， 与 Cloverly（美国佐治亚州亚特兰大）的合作种植树木 以抵消运输过程中的碳排放，与Cleanhub（德国柏林）的合作通过去除500克海洋塑料来抵消每部手机 中使用的聚合物。通过“碳下一次回收计划”，客户在2022年归还设备并升级到新型号也可以获得400欧元的折扣，作为气候行动领导人的成员，Carbon Mobile 公司承诺到2025年使其制造业达到碳中和的。为了减少电子垃圾，退回的手机被拆解，功能部件被重复使用，CFRTP机身被回收。除了消费者接触点，该团队专注于帮助提高整个电子行业的可持续性。

“我们的最终目标是在更广泛的背景下实现可持续性，”Khalifeh解释道。“通过使用复合材料来降低材料使用量，并使报废手机更容易拆卸以回收部件，我们可以帮助减少每年产生的59公吨电子垃圾。再加上在回收过程中回收的寿命更长、价值更高的材料的手 机，我们的联网设备的具体能源更少，碳足迹更低。”

2022 年，Carbon Mobile公司的一个主要重点将是 回应希望许可 HyRECM 技术的其他设备和电动汽车制造商。Khalifeh 认为这是实现其更大抱负的催化剂： “我们无法独自改变科技行业，”他说。“无论是与其他 制造商合作开发智能手机，还是创新可穿戴技术，我 们的 HyRECM技术都有无限的机会推动未来的小型化和可持续技术。”

该公司还计划推出 MK III（Mark Three）型号， 该型号将采用生物基聚合物——聚乳酸（PLA）和聚酰胺 11（PA11）正在考虑中——以及反向注射化合物 中的回收碳纤维。该团队还在探索在基体中使用石墨 烯来提高 Z 轴散热值。

Carbon Mobile公司已经拥有全球客户群，去年获得了两项著名奖项，包括红点设计奖和JEC复合材料连接创新奖。团队在投产一年后最引以为豪的是什么？Khalifeh 预测：“我们解决了许多没有人认为可能 的技术问题，尽管新冠肺炎疫情延误、供应链短缺、 预算适中、材料和工艺变化较晚以及数十项其他挑 战，但我们将高质量的德国工程与尖端材料创新相结 合，这将开启移动通信的未来。”

Clews总结道：“当你将其与业界最轻、最薄、最 漂亮的手机相结合，再加上精明的消费者真诚地寻找能最大限度地减少对地球影响的解决方案时，我们就有了一个成功的价值主张。”

注：原文见，《 CFRTP enables better, greener smartphones 》2022.3.24 杨超凡 2023.6.10